上海师范大学《Carbon》：石墨烯/PVA水凝胶织物，用于盐废水处理或工业盐结晶的太阳能蒸发器

成果简介

界面太阳能蒸发器表面的盐沉淀被认为是盐水蒸馏的不利因素，因为它会阻碍光吸收和水流逸出。本文，上海师范大学张伯武 副研究员、上海大学 马红娟研究员等在《Carbon》期刊发表名为“Salt Crystallization on Porous Asymmetrical Graphene Oxide-based Photothermal Hydrogel-Fabric Unexpectedly Enables Continuous Solar-Powered Hypersaline Water Distillation”的论文，研究通过在商用棉织物上构建 GO/ 聚乙烯醇（PVA）混合水凝胶，开发了一种具有三维互联孔隙结构的新型非对称光热水凝胶织物，旨在太阳能照射下蒸馏高盐水。

意想不到的是，GO/PVA 水凝胶织物不仅在盐水蒸发过程中表现出边缘优先析盐的特性，而且还能在多孔水凝胶织物表面诱导形成斑块状和离散的盐荧光。在连续长时间的界面太阳能蒸发测试中，尽管蒸发器表面出现了严重的盐沉淀，但二维平台上 10 wt% 和 26 wt% NaCl 溶液的蒸发率分别达到了 1.70 和 1.44 kg m-2 h-1。由 GO/PVA 水凝胶织物组装而成的简易屋顶式三维蒸发器可全天候从 26 wt% NaCl 溶液中获得稳定的平均蒸发率 ∼1.87 kg m-2 h-1 和粗盐产量 ∼0.42 kg m-2 h-1，为高盐水蒸馏带来了广阔的前景。目前在三维互联多孔介质上发现的卓越而非凡的盐水蒸发行为刷新了目前公认的关于蒸发器表面盐沉淀不利于界面太阳能蒸发的认识。这项研究为开发用于含盐废水处理或工业盐结晶的太阳能蒸发器提供了新的视角。

图文导读

图1.GHC 织物的制造示意图。

图2.（a） 棉织物和 GHC 织物的光学图像。（b， b’） GHC-1、（c， c’） GHC-1.5 和 （d， d’） GHC-2 织物的表面和横截面形态的 SEM 图像。（e） 对棉织物、GHC 织物上层和 GHC-2 织物底层进行水接触角测试。

图3. (a) UV-Vis-NIR absorption spectra of GHC fabrics at wet status. (b) 2D planar evaporator structure diagram. (c) Surface temperature rise curves and (d) infrared images of bulk water, filter paper, cotton fabric and GHC fabrics at wet status within 60 min under 1-sun irradiation. (e) Cumulative weight loss of bulk water, and water on bare filter paper-covered PE foam, cotton fabric and GHC fabrics loaded evaporators under 1-sun irradiation.

图4. (a)GHC-2 织物在 1 太阳辐射下连续蒸发 12 小时后的水蒸发率和表面温度。(b) 不同光照强度下去离子水在 GHC-2 织物上的蒸发测试。(c) 碱性盐水（1 M NaOH 和 3.5 wt% NaCl）和 (d) 酸性盐水（1 M HCl 和 3. 5 wt% NaCl）下 GHC-2 织物的蒸发性能和表面温度。GHC-2 织物蒸发 (e) 碱性盐水和 (f) 酸性盐水的光学图像。(g) 酸性盐水在 GHC-2 织物上的多循环蒸发。

图5. (a) 不同浓度的 NaCl 溶液在装有 GHC-2 织物的二维蒸发器上进行的长时间连续蒸发试验。(b) 连续蒸发试验期间 GHC-2 织物表面的盐沉淀。(c) 连续蒸发高盐度水时 GHC-2 织物上的盐析出演变示意图。(d) 连续蒸发试验期间 GHC-2 织物表面的温度。(e) 用于高盐度水蒸馏的 GHC 织物装载蒸发器上离散和边缘偏好盐沉积、盐水边缘定向富集和蒸汽加湿示意图。

图6. (a) Schematic diagram of 3D roof type evaporation structure. (b) Evaporation rate and surface temperature of evaporating saturated brine (26 wt% NaCl) for 10 h under 1-sun. (c) Optical diagram of salt crystal behavior after 10 h continuous evaporation of saturated salt under 1-sun. (d) Evaporation rate and surface temperature of repetitively evaporating saturated brine (26 wt% NaCl) for 10 h under 1 sun after darkness for 14 h. (e) Optical diagram of salt crystal behavior of repetitively evaporating saturated brine (26 wt% NaCl) for 10 h under 1 sun after darkness for 14 h.

图7. (a) Cyclic evaporation of 26 wt% NaCl on rooftop-like 3D evaporator. (b) Digital photos of rooftop-like 3D evaporator after salt collection. (c) Weight of salt collected and water evaporated in each cycle under solar illumination.

小结

总之，通过在商用棉织物上依次涂覆 GO/PVA 分散液并进行冰催化硼酸盐交联，制备出了一种光热非对称水凝胶织物（GHC 织物）。微观形态分析表明，GHC 织物呈现出三维互联孔隙结构，不仅表面有大量微孔，而且内部还有许多相互连接的尖锐蜂窝状横向通道。这种独特的分层微结构赋予了 GHC 织物良好的阳光吸收能力和优异的水分蒸发率，在二维平台上，1-太阳光照射下的水分蒸发率为 1.74 kg m-2 h-1，超过了平面光热材料的理论极限。出乎意料的是，盐水在负载 GHC 织物的蒸发器上的蒸发效率呈现先降后升的趋势，最终维持在一个相对较高的水平（10 wt% 的盐水蒸发效率为 1.70 kg m-2 h-1；26wt%的盐水蒸发效率为 1.44 kg m-2 h-1），尽管蒸发器表面出现了严重的盐沉积。

此外，还发现盐晶体优先沉积在蒸发器边缘，并进一步聚集成斑块状和不连续的盐壳。这是由蒸发引起的盐水浓度（均匀饱和和过饱和）、蒸汽加湿和盐水定向供应流对具有三维互连孔隙结构的水凝胶-织物蒸发器的综合影响造成的。此外，还定制了一个类似屋顶的三维蒸发器，以同时实现高盐水（26 wt% NaCl）蒸馏和盐回收。在多次蒸发循环测试中，盐沉积三维蒸发器的平均蒸发率达到了 1.87 kg m-2 h-1，盐产量为 0.42 kg m-2 h-1，盐回收率为 70.59%，这表明其在处理高盐度废水方面具有广阔的前景。总之，该研究表明，三维互联孔隙结构蒸发器可促进斑块状和离散状盐壳的形成，从而提高盐水的蒸发效率，且不会造成盐沉积的困扰。上述发现极大地刷新了人们对盐沉淀效应不利于盐水蒸馏的现有认知。这拓宽了为ISE工艺开发新的高性能光热材料和设备的概念和策略。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119833